摘 要:某500kV变电站投运仅1a,其水平折臂式隔离开关的软连接最外层铜箔发生了断裂 而失效,通过宏观观察、化学成分分析、力学性能试验和断口分析等方法,分析了铜箔断裂的原因。 结果表明:铜箔与铜板过渡位置被压裂,铜箔硬度高,抗拉强度高,延伸率低,韧性差,隔离开关工作 中软连接需要反复折弯,最终导致铜箔断裂,而使软连接失效。 

关键词:隔离开关;铜箔;软连接;失效分析 

中图分类号:TG14                  文献标志码:B                    文章编号:1001-4012(2021)11-0030-03

变电站高压隔离开关的结构相对简单,制造过 程中常常不受重视,质量难以保证[1-2]。某500kV 变电站内西门子 TR53-MM31型隔离开关投运仅 1a,其软连接最外层铜箔出现断裂,该软连接是用 多片镀锡T2紫铜箔叠加两端压焊而成,如图1所 示。由于折臂式隔离开关弯折位置为滑动接触,不 能保证其导电性,需要安装铜箔软连接保证通流和 弯折,其断裂会对电网的安全运行构成威胁[3-6]。 

为找出铜箔断裂的原因,笔者对断裂软连接铜 箔进行了宏观观察、化学成分分析、力学性能试验、 扫描电镜和能谱分析。目前铜箔软连接暂无国家标 准参照,通过对铜箔软连接断裂的原因进行分析、讨 论,以期为厂家的规范生产提供借鉴。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

软连接铜箔压焊位置螺栓紧固侧焊有铜板,压 焊后部件整体镀锡,压焊位置钻有螺栓孔,软连接示 意见图2。铜箔软连接安装于户外,因此投运1a后 镀锡层呈暗灰色。

软连接单层铜箔设计厚度为0.1mm,镀锡层厚 度为20μm,实测镀锡铜箔厚度为0.14~0.15mm。 铜在大气环境中很容易发生腐蚀,该断裂铜箔表面 镀锡层均匀,无划伤、起皮等缺陷。断口附近暗绿色 附着物为铜箔断裂后铜被大气腐蚀所致,因此可排 除铜箔镀锡层不合格导致的断裂。折臂式隔离开关 执行动作时,软连接需要反复弯折。断裂铜箔均处于 软连接外侧,外侧铜箔在工作中长期受拉应力,断裂 处位于铜板与铜箔连接的过渡位置,此次事故共有4 个断裂样品,样品最外层铜箔均已完全断裂,见图3。

使用ZEISSSmartZoom5型体视显微镜对断裂 软连接侧面进行观察。由图4可见,铜板与多片铜 箔压焊侧面外观紧密,未发现开裂等缺陷。

由于压焊过程中,要对组合焊件施加一定的压 力,为防止铜箔压裂,与铜箔过渡位置处的铜板设计 了倒角,倒角是为了保证铜板过渡位置光滑,同时去 除机加工过程中产生的毛刺。进一步放大观察断裂 软连接侧面,发现失效样品倒角尺寸并不均匀,所有样品铜板靠铜箔侧倒角都有不同程度的向外菱角, 见图5。倒角不均匀易导致压焊过程中铜箔表面产 生划伤、压裂等缺陷。

如图5d)所示,其第二片铜箔也发生开裂。软连接 铜箔表面均镀锡,铜箔断裂后镀锡层在潮湿环境中与 大气发生反应,断口已无金属光泽,铜箔断裂后暴露于 大气环境中,并且断裂位于软连接下侧,铜易被大气腐 蚀,因此断口表面附着厚实的暗绿色腐蚀产物。

1.2 化学成分分析 

按照设计要求,软连接用铜箔材料为 T2紫铜。 用角磨机和砂纸轻微打磨铜箔和铜板表面,去除镀 锡层,采用电火花光谱仪对铜箔、铜板进行化学成分 检测。由表1可见,铜箔、铜板的化学成分均满足标 准GB/T5231-2012《加工铜及铜合金牌号和化学 成分》对 T2紫铜的要求。可排除因铜箔化学成分 不合格导致的断裂。 

1.3 力学性能试验 

根据设计要求,镀锡铜箔需为1/4硬(Y4)状 态,其抗拉强度为215~275 MPa,伸长率不小于25%,维氏硬度为60~90HV。 

按标准 GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试 验第1部分:室温试验方法》规定,开展拉伸试验,结 果见表2,可知断裂铜箔的抗拉强度和断后伸长率 均不符合设计要求。 

采用BuehlerVH1102型显微硬度计对断裂铜 箔表面进行显微硬度测试,测试载荷为0.98N,保 荷为10s,按标准 GB/T4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,开展维氏硬度 试验。由表3可见,该铜箔硬度较高。

软连接是由铜板与多片铜箔压焊而成,铜箔硬 度高,韧性差,易在压焊位置产生裂纹。并且软连接 在工作中需反复弯折,铜箔韧性差,反复弯折后易 开裂。 

1.4 扫描电镜及能谱分析 

用扫描电镜对铜箔断口进行观察,如图6所示, 可见断口较疏松,存在大量絮状腐蚀产物,断口未见 裂纹、韧窝、光亮断面等断口特征。铜箔断裂后,断 口暴露于大气环境中,很容易被腐蚀。通过能谱分 析,检测到断口表面主要含碳、氧元素,推测是受大 气腐蚀而产生的腐蚀产物

2 结论及建议 

(1)失效软连接为铜板与多片铜箔压焊而成, 铜板倒角尺寸不均匀,两者压焊加工时,在外力作用 下,铜箔与铜板过渡位置产生压裂。同时,铜箔硬度 高,抗拉强度高,延伸率低,韧性差,隔离开关工作中 软连接需要反复折弯,最终导致铜箔断裂,而使软连 接失效。 

(2)建议选用韧性较好的 T2紫铜箔制作软连 接,对新的铜箔软连接外层铜箔表面进行渗透检测。

参考文献: 

[1] 钟振蛟.户外隔离开关机械故障的起因及预防[J].高 压电器,2006,42(6):464-467. 

[2] 胡红光.隔离开关触头结构与发热原因分析[J].高电 压技术,2001,27(5):72-75. 

[3] 崔景春,袁大陆,宋杲.高压隔离开关运行分析及其完 善化[J].电器工业,2007(2):51-56. 

[4] 盛明学,王志清.户外高压隔离开关常见故障的原因 分析与处理[J].高压电器,2010,46(10):93-96. 

[5] 丁昌国.隔离开关存在的问题及改进措施[J].吉林电 力,2004,32(6):55-56. 

[6] 钟振蛟.户外隔离开关导电回路过热的原因及对策 [J].高压电器,2005,41(4):307-309,312.

<文章来源  >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:30-32)>